Détermination de la colonne de CO2

depuis le sol avec SOIR Terre J.L.Bertaux(1), Stéphane Ferron (3), Lilian Joly(2),

Georges Durry(2)

(1) Service d’aéronomie, UMR CNRS 7620,F-91371 Verrières-le-Buisson(2) GSMA, UMR CNRS 6089, Université de ReimsF-51687 Reims(3) ACRI-ST, F-06904 SOPHIA ANTIPOLIS

AEI 2008, 29-30 Mai 2008,Toulouse

Résumé

• Motivation : validation OCO• Méthode: spectre du soleil vu du sol à haute

résolution, bande CO2 à 1.60 m• Instrument: Spectromètre échelle

« classique » avec filtre fixe: pas cher, transportable (versus Michelson)

• Héritage: SOIR Vénus (Solar Occultation in the Infra Red)

• Analyse: méthode de la largeur équivalente de chaque raie+ LBLRTM

Présentation de l’instrumentPrototype du spectromètre à réseau (échelettes de 24 traits/mm) SOIR (Solar Occultation InfraRed observations) intégré à l’expérience de l’ESA Vénus-Express (PI J-L Bertaux,Oleg Korablev, Ann-Carine Vandaele à l’IASB).

Mesure en cuve du CO2 à Reims

Mesure de CO2 dans le cuve long parcours: 602,32m, 18.2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

cuve-vide

7.44 torrs

15.05 torrs

30.00 torrs

75.36 torrs

99.92 torrs

Fonction d’appareil: Résolution/ 30,000

Réponse impulsionnelle (ILP) déconvoluée à partir d’un jeu de mesures en cuve et de spectres simulés.

Mesures en observation solaire - Reims 2 avril 2007

Heure locale 10:27 10:51 11:45 12:55 14:02 15:09 15:58 16:57 18:09 18:48

SZA [deg] 61.47 57.85 51.38 45.77 44.48 47.65 52.22 59.66 70.4 76.67

Azimut [deg] -61.02 -54.77 -40.43 -18.33 5.21 28.25 42.84 58.18 74.18 82.03

Largeur équivalente empirique

Largeurs équivalentes

Dans le proche infra-rouge, permet la mesure des densités colonnes de CO2 avec une précision de l’ordre du pourcent (L Wallace et W Livingston), peu sensible à la fonction d’appareil

du spectromètre, ne dépend pas de l’étalonnage absolu

des spectres.

dνI

I=W ν

0

1Fig.5 Spectre de transmission pour la raie

R8 mesurée en cuve (T=18.2°, P = 75.26 torr). Ici, on a normalisé à 1 le continu

adjacent. Comme l’absorption du CO2 n’y est pas nulle, on mesure en fait une largeur

équivalente empirique.Unité: longueur d’onde ,ou cm-1

L’absorption du CO2 fait que le continu est <1.

Modèle direct avec LBRTM: transmittance

-Code LBLRTM

-Raie par raie, HITRAN

-Profil atmosphérique: ECMWF+Arletty

-Atlas solaire FTS Mac Math (mieux que Kurucz)

sun

-méthode classique: « profile fitting »

- ici, largeur équivalente empirique (plus robuste?)

L’absorption du CO2 fait que le continu est <1.

Fig.7 Largeurs équivalentes empiriques mesurées et comparées aux prédictions du modèle direct, ici figé à 330 ppmv de CO2. Nvert est donc fixé

Ncol colonne de CO2 vers le soleilNvert colonne de CO2 verticaleSZA : Solar zenith angle1/ cos(SZA) : air mass factorW augmente avec Ncol, mais pas linéaire

Ncol= Nvert/ cos(SZA)

Sensibilité à la température atmosphérique

Il est donc utile de connaître le profil de température T(z) dans la troposphère avec une précision raisonnable (champs météo de ECMWF et Arletty, base de données Ether)

Le changement dW de la largeur équivalente W pour une augmentation de 1 K dans une tranche de 1 km dépend de l’altitude z: avec W0.1 cm-1, dW=-3x10-5 à 10 km, dW/W -3x10-4 par tranche de 1 km et 1 K.

Résultats sur une journée

n

COnn xbWW2

22 ),(

par minimisation de :

suivant la méthode de Levenberg-Marquardt

Fig. 10 Haut : ajustement par moindre carré des largeurs équivalentes d’un ensemble de raies.

Bas : résultat de l’ajustement du rapport de mélange du CO2. La dispersion au cours d’une journée est < 1%. La valeur moyenne de 337 ppmv présente un biais par rapport à la valeur moyenne terrestre actuelle(370 ppmv).

Perspectives SOIR-Terre

- nouvelles campagnes de mesures à ReimsCaractérisation de la fonction d’appareil.-Investigation et quantification du biais de la méthode, pour correction systématique.-construction d’un deuxième modèle pour opération à La Réunion (Observatoire)-Déploiement d’un réseau sol pour la validation de OCO (avec le LSCE)-logiciel d’analyse: valable aussi pour mesures Michelson

bertaux@aerov.jussieu.fr

Sensibilité à la distribution en altitude du CO2

Le changement dW de la largeur équivalente W pour une augmentation de 1 ppmv de CO2 dans une tranche de 1 km dépend de l’altitude z: avec W0.1 cm-1, dW=10-5 à 10 km, dW/W 10-4 par tranche de 1 km et 1 ppmv

Spectres de CO2 par occultation solaire rˇalisˇs le 2 avril 2007 REIMS (51)

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0 500,0

Points

Ab

so

rpti

on

10h27

10h51

11h45

12h55

14h02

15h09

15h58

16h57

18h09

18h48